海洋發電場

文穎

利用海水溫差發電的探索，為人類向海洋發展描繪了美好的前景。也許在未來的某一天，隱藏在海洋中的能量可以供給世界運轉所需的能源。

早在1870年，科幻小說家儒勒·凡爾納就在《海底兩萬里》中有這樣一段充滿想象力的描述：“就人類信仰而言，全世界最大的能量是光與愛;而就無限能源而言，非‘海洋能莫屬！”

何謂“海洋溫差發電”？

19世紀工業革命，西方國家完成了從工廠手工業向機器大工業過渡的階段，機器逐漸取代了人力，把人類推向了嶄新的“蒸汽時代”。21世紀，潛藏在海洋中的巨大能量成為人類熱切關注的對象。人們似乎將要迎來前所未有的“海洋蒸汽時代”。那么，凡爾納一百多年前的構想，如今能否走向現實呢？

理論上講，海洋溫差發電（也稱海洋熱能轉換）能夠提供相當于全世界人類所消耗電力的4千倍。利用海洋溫差發電這個設想相當宏大，既不會污染環境又不會排放溫室氣體，被人們寄予厚望。然而，回到現實中，該設想卻因諸多難題而被擱置多年。

2014年，全球各地如雨后春筍般涌現了眾多與之相關的項目，而項目執導者們都是精明能干的實用主義者。究竟發生了什么？

“海洋溫差發電”這一點子，極有可能是凡爾納為了解決尼摩船長的難題而想出來的。尼摩船長是凡爾納筆下的一位主人公，他迫切需要電力在深海中驅動他的鸚鵡螺號潛艇。那是“海洋溫差發電”這個名詞首次出現。尼摩船長告訴他的水手：“將‘兩根電線伸入不同深度，形成電路，便有可能通過溫度的差異來獲得電能。”該書出版11年之后，法國物理學家雅克·阿瑟·阿松瓦爾首次提出利用海水溫差發電這一設想，不過該設想被埋沒了近半世紀。他認為，采用管道而非電纜，利用深海的冷水和溫暖的表層海水之間的溫差來產生蒸汽能量，從而實現熱力循環。

這絕對是一個高明的想法。因為海洋是一個巨大且不斷吸收太陽能的存儲介質，海洋中蘊藏著豐富的熱能。太陽每年供應給海洋的熱能大約有60多萬億千瓦，這樣龐大的能量，除了一部分轉變為海流的動能和水蒸氣的循環外，都直接以熱能的形式儲存在海水中，主要表現為海水表層和深層之間的溫差。通常情況下，大部分熱量都存儲在距海平面100米以上的表層海水中，海水表層溫度可達20～28℃，而在海平面1千米以下，水溫卻只有4～5℃。深海洋流以及暗流等使深層水溫常年保持恒定。這樣來看，上下水層之間溫差保持在20℃左右，說明“海洋溫差發電”這一設想的確極具潛力。

目前，全世界幾乎所有的核電站和燃煤電廠都離不開渦輪蒸氣機驅動。火力發電和核能發電是以熱能使水沸騰，利用蒸汽帶動渦輪機，然后發電。但其產生的蒸汽要么靠燃燒污染大氣的煤，要么會產生可怕的核廢料。相比之下，海洋溫差發電提供的蒸汽能量最為清潔且在理論上是沒有上限的。

那么，海洋溫差發電具體是如何運作的呢？在海洋溫差發電中，巧妙運用到了氨水和水的混合液。水的沸點是100℃，而氨水的沸點是零下33℃，相比之下后者更容易沸騰。為了從溫度差中獲取能量，工程師將溫暖的表層海水加入內層裝有氨水等低沸點液體的管道。氨水沸騰后，其蒸汽推動渦輪機，即可發電。之后，工程師再將深層冰冷的海水泵入蒸汽管道進行冷卻，導致氨蒸氣冷凝回液體狀態，進入下一個溫度循環。

難度超乎想象

100多年前，人們就開始利用潮汐發電。近幾年來，利用海浪、洋流發電的技術也開始被采用。然而，人們的探索并不滿足于此，海洋溫差發電技術如果能夠成功運用，估計至少能滿足全世界對能源需求的20%左右。

赤道地區（包括熱帶和亞熱帶）擁有建造海洋溫差發電的良好條件，因為赤道地區海洋的溫差更為明顯。在太陽的強烈照射下，熱帶地區表層海水均溫可達30℃，而深層海水均溫大約為5～10℃。這種終年形成的20℃以上的垂直海水溫差可以很輕松地實現熱力循環并發電，因此海洋溫差發電項目在熱帶和亞熱帶地區最為適用。

由于發電介質是海水，燃料費用幾乎為零，這項新技術似乎不久即可達到實用階段。然而，工程師進行電腦模擬發現，由于海水之間的溫差至少要達到20℃才能使發電過程運轉起來。要達到這個要求，需要長達1000多米的巨型管道，管道需要足夠粗，同時還能承受住海流的影響。所以，海洋溫差發電設備的規模必須造得很龐大才能獲得足夠的電力，同時，大量資金需要預先投入，因此海洋溫差發電的成本不一定比火電站和核電站低。另外，海洋溫差發電的能量密度低，其效率僅為3%～6%，比火力發電的40%要低得多。

盡管面臨諸多困難，工程師們還是不斷努力，希望海洋溫差發電能夠達到實用階段。其中最雄心勃勃的一次嘗試是在20世紀70年代。當時石油危機爆發，美國總統吉米·卡特簽署了一項命令：在1999年之前，務必采用海洋溫差發電技術生產高達1萬兆瓦的電力。但后來，由于石油價格一降再降，替代石油的“海洋溫差發電”方案再次被無限期擱置。

成為主流指日可待

長遠來看，由于石油等全球不可再生能源對氣候和環境產生的不良影響，使得可再生能源受到各國的普遍重視。但是，大多數可再生能源（如風能和太陽能）也不是無限制的，因為它們只在有風和有陽光的條件下才能產生電力。相比之下，海洋溫差發電卻可24小時全天候運作。海洋溫差發電這個19世紀的構想也許能成為21世紀可再生能源的有力“候補成員”。

近海油氣工業積累了豐富的經驗，1000多米的深海操作在該行業已經司空見慣。幾十年前，美國一家公司將橋梁技術和渦輪機制造技術融合在一起——兩者都采用先進的、超輕超強的玻璃纖維和樹脂復合材料——設計出價格低廉、強度和靈活性足以承受洋流壓力和張力的超級管道。更重要的是，這些管道能夠在海面浮動平臺上組裝，避免了大型裝置遠距離運輸的風險，這為海洋溫差發電的開發前景鋪平了道路。

美國負責研究海洋溫差發電的路易斯·維加估算道：“海洋溫差發電的技術在不斷進步，現在建造一座100兆瓦的海洋溫差發電場大約需要花費7.9億美元。如果把建造費用和運行成本都計算在內，電費大約為每度18美分。這與美國能源部門估算的煤炭和太陽能電費相差不大，前者為每度14美分，后者為每度14～16美分。

1930年，阿松瓦爾的學生克勞德在古巴海濱建造了世界上第一座海水溫差發電站。2013年，一座50千瓦的海洋溫差發電站在日本久米島開始運作。同年，美國夏威夷也建好了一座100千瓦的實驗電站。2014年，荷蘭開始在加勒比海的庫拉索島建造一座500千瓦的電站。由此看來，較小的島嶼有幸成為了第一批海洋溫差發電站的“寵兒”，因為它們十分依賴進口燃料并苦于其高昂的價格。這些進展使得海洋溫差發電有望成為主流發電方式之一。目前，海洋溫差發電站已經出現在世界各地。日本、法國、比利時等國都已經建成了海洋溫差發電站，功率從100千瓦到5000千瓦不等，上萬千瓦的電站也正在籌建之中。

技術創新意義重大

目前，各國多個研究小組正在研究將海洋溫差發電與太陽能相結合的可能性。意大利的保拉·蓬巴模擬出了一款熱能轉換裝置，它先利用太陽能將海水溫度提高，再蒸發液體氨。她發現，即使是低成本的太陽能集熱器，也可以將電站白天的發電量提高到原先的3倍。

類似的新技術還可以幫助到北半球一些能源匱乏的國家。在夏季，韓國周邊海水表面和深層海水之間的溫差超過了20℃。但在冬季，情況就不同了。因此，要讓海洋溫差發電站終年運轉，韓國海洋研究與發展研究所的高城郡教授改造了一座20千瓦的電站，他讓表層海水在遇到氨水之前，先利用來自太陽能、風電場和垃圾焚燒發電廠產生的電能提前對它進行預熱，以保持它與深層海水之間的溫度差。

另一個好辦法是將海洋溫差發電與地熱能源相結合。韓國海洋研究院的賢菊和他的同事正在尋找合適的地熱能源，希望利用地下深處源源不斷的熱能，將表層海水加熱，以保持溫差。這一創新舉措能夠大大擴展適合建造海洋溫差發電的區域。

鑒于該項目的迅速發展，海洋溫差發電受到各國的普遍重視。但環保人士還是憂心忡忡：富含無機營養成分的深層海水被引到上層水域時，是否會導致海中的藻類瘋狂繁殖？但具計算機模型顯示，只要深層海水被泵出的深度仍在水深60米以下，藻類大量繁殖的風險可以說幾乎為零。但是，為了消除哪怕一點點可能會面臨的風險，而采取的措施都是值得的。為此，英國的一家能源公司用獨特的設計方案解決了這一問題，并為此申請了專利。在該公司設計建造的電站中，改變了把深層海水泵入海洋表層作為冷卻水的做法，而是直接將蒸發出來的氨蒸氣輸送到海洋深層進行冷凝。這意味著，營養豐富的深層海水將永遠不需要被泵送到表面了。

另外一個之前研究的問題是，海洋溫差發電是否會對當地環境和全球產生影響，比如導致氣候變暖？

令人欣慰的是，研究表明，我們能夠在不影響海洋的情況下提高海洋溫差發電的產能。美國研究者對海洋溫差發電站可能導致的影響建立了模型，其中包括全球溫鹽環流（溫鹽環流是指依靠海水溫度和含鹽度驅動的全球洋流循環系統）。實驗發現，電站可以安全地獲取7太瓦（1太瓦等于1012瓦特）的電力，相當于全球能源消費量的一半，而且并不會對海洋溫度造成任何顯著的影響。然而論文作者也承認，很難就海洋溫差發電站對環境的影響作出明確的結論。

發電船只敬請期待

建造地點離海岸越遠，發電場的造價就會越昂貴，而建造成本低廉的船則不受此約束。2013年2月，在美國休斯敦召開的海洋專題研討會上，一家能源公司公布，他們正在研發設計10兆瓦海洋溫差發電船。海洋溫差發電船可以在海上四處尋找具有最佳溫度差的海域，利用海底電纜向海岸輸送電力。

事實上，許多研究者都相信，徜徉在天海之間尋找電能的發電船才代表了該技術的未來。為了解決通過海底電纜向海岸輸電的問題，發出的電能可以在原地將海水電解為氫和氧，然后把氫存儲到燃料電池中運往全世界使用。一艘10兆瓦的海洋溫差發電船每小時可以生產1.3噸的液態氫，盡管目前成本還是生產一桶原油的3倍。但技術的進步能進一步降低成本，而且氫是完全綠色可持續利用的能源。

對于海水溫差發電的探索，為人類向海洋發展描繪了美好的前景。也許在未來的某一天，隱藏在海洋中的能量將能供給全世界運轉所需的能源。